PERBANDINGAN SIFAT ELEKTROKIMIA GARAM LIBOB DAN

Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016
http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
p-ISSN: 2339-0654
e-ISSN: 2476-9398
DOI: doi.org/10.21009/0305020208
PERBANDINGAN SIFAT ELEKTROKIMIA GARAM LIBOB DAN
LIPF6 SEBAGAI ELEKTROLIT DALAM SEL LiFePO4 /Li
Titik Lestariningsih a), Bambang Prihandoko, Etty Marty Wigayati
Pusat Penelitian Fisika – LIPI komplek PUSPIPTEK, Tangerang Indonesia
Email: a) [email protected]
Abstrak
Telah dilakukan penelitian tentang perbandingan sifat elektrokimia garam LIBOB dan LiPF 6 sebagai
elektrolit dalam sel LiFePO4 /Li. Garam elektrolit LIBOB maupun LiPF6 masing-masing dilarutkan
dalam larutan Etylene Carbonat (EC), Ethyl methyl carbonat (EMC) dan diethyl carbonat (DEC)
dengan perbandingan (1:1:1) prosen volume. Pengujian clyclic voltametry (CV)
dan
charge/discharge pada garam LIBOB dilakukan dengan variasi konsentrasi, sedangkan untuk garam
LiPF6 dilakukan pada konsentrasi 0,8 M. Hasil pengujian clyclic voltametry (CV) maupun
charge/discharge
menunjukkan bahwa elektrolit yang berisi garam LIBOB dalam pelarut
EC/EMC/DEC yang bekerja paling optimal yaitu pada konsentrasi 0,5 M LiBOB EC:EMC:DEC
(1:1:1 v). Sedangkan perbandingan antara larutan LiBOB dan LiPF 6 berdasarkan hasil uji clyclic
voltametry (CV) maupun charge/discharge menunjukkan bahwa larutan elektrolit LiBOB lebih baik
digunakan untuk kinerja sel LiFePO 4 /Li dibandingkan larutan elektrolit LiPF6. Dari hasil analisa
SEM juga mengindikasikan bahwa sel LiFePO 4 /Li dalam larutan elektrolit LiBOB mempunyai
kestabilan dan kapasitas yang lebih tinggi.
Keywords: LIBOB, LiPF6, clyclic voltametry, charge/discharge
1. Pendahuluan
Pengembangan kendaraan bermotor dengan energi
listrik menggunakan sumber energi dari baterai,
Adapun baterai lithium-ion sebagai kandidat utama
karena kapasitas penyimpanan energinya yang relatif
besar. Di dalam baterai larutan elektrolit merupakan
perangkat elektrokimia yang sangat penting, Fungsi
elektrolit pada baterai adalah sebagai media tranfer
ion Li antara anoda dan katoda. Material elektrolit
yang paling umum digunakan dalam baterai lithiumion adalah lithium hexafluorophosphate (LiPF6)
dengan konduktivitas yang mencapai > 10 mS/cm
dalam larutan alkil karbonat seperti ethylene
carbonate (EC) dan propylene carbonate (PC) serta
ester linear seperti dimethyl carbonate (DMC), ethyl
methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC)
[1]. Kelemahan dari penggunaan LiPF6 adalah bahwa
kombinasinya dengan pelarut-pelarut tersebut
membuat LiPF6 tidak stabil pada suhu tinggi dan
bahkan terdekomposisi menjadi LiF dan PF5.
Senyawa PF5 dan LiPF6 dapat bereaksi dengan air
membentuk HF yang berpotensi merusak sel katoda
baterai [2], [3]. Material garam elektrolit baru, lithium
bis(oxalato) borate atau LiBOB, telah dikembangkan
oleh Xu et. Al, sebagai substitusi LiPF6 dalam
perannya sebagai elektrolit dalam sel baterai lithiumion. Dalam larutan karbonat yang sama, LiBOB
memiliki stabilitas thermal yang lebih baik daripada
LiPF6. Keuntungan ini ditambah dengan capacity
retention yang juga lebih tinggi, serta biaya sintesa
yang lebih rendah [4].
Berdasarkan pehitungan secara teoritis LiBOB
mempunyai stabilitas termal yang baik, karena
stabilitas termal LiBOB sebagai larutan elektrolit
pada baterai Li ion jauh lebih tinggi dari pada garam
Li lainnya (misalnya, LiPF6, LiBF4), sehingga akan
memungkinkan baterai litium ion untuk beroperasi
pada suhu tinggi, terutama yang dibutuhkan oleh
kendaraan listrik hybrid (HEV)[5]
Tujuan penelitian ini adalah untuk mencari optimasi
konsentrasi garam LIBOB dalam pelarut organik serta
membandingkan garam elektrolit LIBOB dengan
LiPF6
secara elektrokimia yang dapat digunakan
secara optimal sebagai elektrolit dalam sel LiFe2PO4 /
Li .
2. Metode Penelitian
Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini
adalah lithium bis(oxalato) borate (LIBOB) komersial
dan LiPF6 dari Sigma Aldric . Pelarut yang digunakan
terdiri dari ethylene carbonate atau EC (Merck,
Jerman), diethyl carbonate atau DEC (Merck,
Jerman), dan ethyl methyl carbonate atau EMC (
Sigma Aldrich). Elektrolit cair disiapkan dengan
Seminar Nasional Fisika 2016
Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-MPS-43
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016
http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
melarutkan LIBOB dalam pelarut EC: EMC: DEC
=1:1:1 (v/v) dengan konsentrasi 0.2 M, 0.5 M, dan 0.8
pada temperature 50oC selama 1 jam. menggunakan
magnetic stirrer di dalam gelas beker. Baterai
setengah sel dibuat dengan menggunakan lithium
ferro phosphate (LiFePO4) komersial dari MTI
Corporation sebagai katoda, lithium metal sebagai
anoda, dan lembaran polyethylene (PE) sebagai
separator. Keseluruhan proses dari pencampuran
pelarut hingga penyusunan baterai setengah sel
p-ISSN: 2339-0654
e-ISSN: 2476-9398
M. serta LiPF6 dalam pelarut EC:EMC:DEC =1:1:1
(v/v) dengan konsentrasi 0,8 M. Elektrolit cair diaduk
dilakukan di dalam glove box Vigor dengan aliran gas
argon yang konstan untuk menjaga uap air dan
oksigen dalam kondisi minimum. Analisis cyclic
voltammetry dan charge - discharge dilakukan
dengan Wonatech Battery Cycler System WBCS –
3000. Analisa struktur mikro dilakukan dengan SEM
(Jeol JED 350).
3. Hasil dan Pembahasan
Hasil uji cyclic voltammetry dan charge discharge memberikan informasi mengenai besarnya
arus, voltase, capasitas dari baterai lithium untuk sel
LiFePO4 /Li dengan menggunakan larutan elektrolit
LIBOB dan LiPF6 berbagai konsentrasi yang akan
dibahas pada bab ini. Untuk kode A menunjukkan
larutan elektrolit 0,8 M LiPF6/ EC:EMC:DEC
(1:1:1 v).
larutan elektrolit 0,2 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1
v), kode B menunjukkan larutan elektrolit 0,5 M
LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v) dan kode C
menunjukkan larutan elektrolit 0,8 M LiBOB/ EC:
EMC: DEC (1:1:1 v), kode D menunjukkan
3.1. Hasil Clyclic Voltammetry (CV)
A
B
Gambar 1. Hubungan arus vs tegangan untuk sel LiFePO4 /Li dalam larutan elektrolit (A). 0,2 M LiBOB/
EC:EMC:DEC (1:1:1 v), (B) larutan elektrolit 0,5 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v), (C) larutan elektrolit
0,8 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v) dan (D) larutan elektrolit 0,8 M LiPF6/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v)
Tabel 1. Besar Arus dan tegangan larutan elektrolit LIBOB dan LiPF6 dalam pelarut EC:EMC:DEC
(1:1:1 v) saat terjadi reaksi Oksidasi dan Reduksi.
Arus (mA)
Tegangan / Voltase (V)
Sampel
Oksidasi
Reduksi
Oksidasi
Reduksi
(A)
1,37
-0,989
4,00
2,55
1,45
(B)
2,13
-1,28
3,95
2,84
1,11
(C)
1,86
-1,08
3,99
2,72
1,27
(D)
1,97
-1,22
3,95
2,84
1,11
Seminar Nasional Fisika 2016
Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-MPS-44
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016
http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
Gambar 1. menunjukkan hubungan antara arus
dengan tegangan dari baterai lithium untuk sel
LiFePO4 /Li dengan menggunakan larutan elektrolit
(A). 0,2 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v), (B)
larutan elektrolit 0,5 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1
v), (C) larutan elektrolit 0,8 M LiBOB/
EC:EMC:DEC (1:1:1 v) dan (D) larutan elektrolit 0,8
M LiPF6/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v) Dari gambar
diatas dapat diketahui nilai arus dan tegangan saat
terjadi reaksi oksidasi dan saat terjadi reaksi reduksi.
Dan besarnya selisih dari voltase (
) menunjukkan
reversibilitas ion selama reaksi redok berlangsung.
Besarnya nilai arus dan voltase larutan elektrolit
LIBOB dan LiPF6 dalam pelarut EC:EMC:DEC
(1:1:1 v) saat terjadi reaksi Oksidasi dan Reduksi
disajikan pada table 1.
Dari table 1. diatas dapat diketahui bahwa
larutan LiBOB yang paling optimal dengan urutan
yaitu LiBOB B>C>A. Jadi larutan elektrolit 0,5 M
p-ISSN: 2339-0654
e-ISSN: 2476-9398
LiBOB / EC:EMC:DEC (1:1:1 v) merupakan
konsentrasi larutan LIBOB yang optimal yang dapat
digunakan dalam baterai lithium untuk sel LiFePO4
/Li, karena mempunyai nilai arus yang paling tinggi
dan voltase (
) terendah dibandingkan elektrolit
LiBOB dengan konsentrasi yang lain. Sementara
ketika larutan elektrolit LiBOB yang paling optimal
bila dibandingkan dengan larutan elektrolit LiPF6
pada sampel (D) maka larutan LiBOB jauh lebih baik
dibandingkan dengan larutan LiPF6 karena larutan
LiBOB menunjukkan arus lebih tinggi dari pada
larutan LiPF6.. Meskipun besarnya voltase keduanya
sama. Sedangkan nilai
yang terendah
menunjukkan semakin reversibilitas ion selama reaksi
redok berlangsung, dalam penelitian ini larutan
LIBOB dengan konsentrasi 0,5M mempunyai sifat
reversibilitas yang optimal.
3.2. Hasil Charge/discharge
(A)
(B)
(C)
(D)
Gambar 2. Hubungan antara kapasitas,waktu dan tegangan untuk sel LiFePO4 /Li dalam larutan elektrolit (A).
0,2 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v), (B) larutan elektrolit 0,5 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v), (C)
larutan elektrolit 0,8 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v) dan (D) larutan elektrolit 0,8 M LiPF 6/ EC:EMC:DEC
(1:1:1
v)
v). dan (B) larutan elektrolit 0,5 M LiBOB/
Gambar 2. menunjukkan hubungan antara
EC:EMC:DEC (1:1:1 v), (C) larutan elektrolit 0,8 M
kapasitas, waktu dan tegangan dari baterai lithium
LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v) dan (D) larutan
untuk sel LiFePO4 /Li dengan menggunakan larutan
elektrolit 0,8 M LiPF6/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v).
elektrolit (A). 0,2 M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1
Dari gambar 2. diatas dapat diketahui besarnya nilai
Seminar Nasional Fisika 2016
Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-MPS-45
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016
http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
p-ISSN: 2339-0654
e-ISSN: 2476-9398
VOLUME V, OKTOBER 2016
kapasitas, waktu dan tegangan larutan elektrolit
LIBOB dan LiPF6 dalam pelarut EC:EMC:DEC
(1:1:1 v) saat proses charge discharge tersaji pada
tabel 2.
Tabel 2. Besar nilai kapasitas, waktu dan tegangan larutan elektrolit LIBOB dan LiPF6 dalam pelarut
EC:EMC:DEC (1:1:1 v) saat proses charge discharge.
Charge pertama
Sampel
Kapasitas
(mAH/gr)
(A)
3
Discharge pertama
Waktu (s)
4x103
3
(B)
28
18x10
(C)
6
4x103
(D)
20,6
20x10
3
Kapasitas
(mAH/gr)
Charge discharge berikutnya
Waktu (s)
24x103
22
Kapasitas
(mAH/gr)
2 dan -2,5
3
Tegangan
Waktu (s)
(V)
4x103
3,7 dan 2,6
3
86,4
92x10
73,2
40x10
45
48x103
5 dan -6
(7dan 5 ) x103
3,7 dan 2,6
10
(7dan 5 ) x103
3,7 dan 2,6
3
80,1
80x10
(a)
3,7 dan 2,6
(b)
Gambar 3. Gambar SEM untuk katoda LiFe2PO4 dalam 2 macam elektrolit (a) larutan elektrolit 0,5 M LiBOB/
EC:EMC:DEC (1:1:1 v) dan (b) larutan elektrolit 0,8 M LiPF6/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v)
Dari ketiga sampel LIBOB tersebut pada table 2
menunjukkan bahwa sampel LiBOB (B) merupakan
baterai lithium dengan sel LiFe2PO4/Li yang terbaik
dibandingkan dengan kedua sampel lainnya karena
sampel (B) cukup stabil pada discharge pertama dan
kedua yang hanya berkurang 10% dengan kapasitas
katoda mencapai 86,4 mAH/gr dan 73,2 mAH/gr dan
dengan rentang waktu yang paling lama. Sementara
ketika larutan elektrolit LiBOB yang terbaik
dibandingkan dengan larutan elektrolit LiPF6 sampel
(D) maka larutan LiBOB jauh lebih baik karena
LiBOB lebih stabil sebagai elektrolit dalam sel
LiFe2PO4/Li.
Selain pengujian CV dan Charge Discharge seperti
tersebut diatas untuk membuktikan bahwa garam
LiBOB dalam pelarut EC, EMC , DEC sebagai
elektrolit dalam sel LiFe2PO4/Li lebih stabil dari pada
garam LiPF6 dalam pelarut yang sama, maka dalam
makalah ini dibuktikan dengan pengukuran SEM .
(1:1:1 v), gambar 3(b).
Pembentukan Lapisan tipis pada permukaan katoda
LiFe2PO4 dalam elektrolit LIBOB dan LiPF6 masingmasing ditunjukan pada gambar 3(a) dan 3(b). Kedua
gambar tersebut terlihat berbeda, perbedaan ini
disebabkan karena pengaruh dekomposisi maupun
reaksi antara katoda dengan elektrolit. Pada gambar
3(a) terlihat permukaan katoda terlapisi dengan
lapisan tipis lebih merata dan padat, sedangkan pada
gambar 3(b) permukaan katoda lapisan tipisnya
terlihat sedikit /menghilang dan strukturnya lebih
terkikis. Permukaan katoda yang terlapisi lapisan tipis
lebih merata dan padat akan menguntungkan karena
kehilangan kapasitas akibat reaksi irreversible akan
menurun dan stabilitas sel akan meningkat [6].
Sehingga sel LiFePO4/Li dalam larutan elektrolit 0,5
M LiBOB/ EC:EMC:DEC (1:1:1 v), gambar 3(a)
menunjukkan kapasitas yang lebih tinggi dan lebih
stabil dari pada dalam larutan elektrolit 0,8 M LiPF6/
EC:EMC:DEC
Seminar Nasional Fisika 2016
Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-MPS-46
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016
http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
4. Simpulan
Dari Hasil Uji CV dan charge/discharge dapat
disimpulkan bahwa besarnya konsentrasi LIBOB
dalam pelarut EC/EMC/DEC yang bekerja paling
optimal sebagai elektrolit dalam sel LiFe2PO4/Li
yaitu pada konsentrasi 0,5M LIBOB EC:EMC:DEC
(1:1:1 v). Sedangkan bila dibndingkan dengan garam
LiPF6 dalam pelarut yang sama menunjukkan bahwa
larutan elektrolit LiBOB mempunyai kinerja yang
lebih baik digunakan untuk Sel LiFePO4 /Li bila
dibandingkan dengan larutan elektrolit LiPF6.
Ucapan Terimakasih
Terimakasih kepada pihak pemberi dana
penelitian, kepada lembaga/ orang yang membantu
penelitian, kepada orang yang membantu dalam
diskusi, dll.
Daftar Acuan
[1]. L. Larush-sraf, M. Biton, H. Teller, E. Zinigrad,
and D. Aurbach, On the electrochemical and
thermal behavior of lithium bis(oxalato)borate
(LiBOB) solutions, J. Power Sources, 174
(2007), pp. 400–407
[2] W. V. Barth, A. Peña Hueso, L. Zhou, L. J.
Lyons, and R. West, Ionic conductivity studies
of LiBOB-doped Silyl Solvent blend
electrolytes for lithium-ion Battery applications,
J. Power Sources, (2014).
[3] L.-Z. Fan, T. Xing, R. Awan, and W. Qiu,
Studies
on
lithium
bis(oxalato)borate/propylene carbonate-based electrolytes
for Li-ion batteries, Ionics (Kiel)., 17(2011), pp.
491–494
[4]. X. Cui, H. Zhang, and S. Li, Electrochemical
performances of a novel lithium bis (oxalate)
borate-based electrolyte for lithium-ion
batteries with LiFePO4 cathodes, Ionics, 20
(2014), pp. 789–794.
[5]. G. Hong-Quan, Z. Zhi-An, L.Jie, L.Ye-Xiang,
Structure characterization and electrochemical
properties of new lithium salt LiODFB for
electrolyte of lithium ion batteries, J. Cent.
South Univ. Technol, 15 (2008) pp. 830−834.
[6]. S. Li, Y. Zhao, Xi. Shi, B.Li, X. Xu, W . Zhao,
Xi. Cui, Effecy of Sulfolane on the performance
of Lithium bis(oxalate)borate-based electrolyte
for
advanced
lithium
ion
batteries.,
J.Electrochem.Sci. 65 (2012), pp. 221-227.
Seminar Nasional Fisika 2016
Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-MPS-47
p-ISSN: 2339-0654
e-ISSN: 2476-9398
Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF2016
http://snf-unj.ac.id/kumpulan-prosiding/snf2016/
VOLUME V, OKTOBER 2016
Seminar Nasional Fisika 2016
Prodi Pendidikan Fisika dan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Jakarta
SNF2016-MPS-48
p-ISSN: 2339-0654
e-ISSN: 2476-9398